Ultrafiolett stråling – egenskaper og fordeler

Kort om historien

Den tyske fysikeren Johann Wilhelm Ritter oppdaget UV-stråling i 1801. Han observerte en akselerert mørklegging av papir dyppet i sølvklorid når det ble utsatt for usynlige stråler like utenfor det synlige spekteret på den fiolette enden. For å skille disse strålene fra «varmestrålene» (IR) som ble oppdaget året før på den andre enden av det synlige spekteret, kalte han UV-strålingen «oksiderende stråler» fordi det understreket den kjemiske reaktiviteten han observerte. Dette ble raskt erstattet av begrepet «kjemiske stråler» som forble populært gjennom resten av det 19. århundre. Etter hvert ble begrepene kjemisk stråling og varmestråling erstattet med de nå vanlige betegnelsene, ultrafiolett stråling og infrarød stråling.

Hva er UV?

I det elektromagnetiske spekteret er ultrafiolett (UV) stråling klassifisert med en bølgelengde som spenner fra 100 nm til 400 nm. Disse bølgelengdene er kortere enn de for synlig lys og lengre enn de for røntgenstråler. Det er tre klassifiseringer av UV-lys: UVA har bølgelengder mellom 315 og 400 nm, UVB har bølgelengder mellom 280 og 315 nm og UVC har bølgelengder mellom 100 og 280 nm.

Figur 1: UV-bølgelengder ligger rett under hva det menneskelige øyet kan se. (Bildekilde: W.S. Badger Company, Inc.)

Solen gir fra seg UV-stråling over spekteret på 100–400 nm. I ytterkanten av jordens atmosfære består sollyset av omtrent 50 % infrarødt (IR) lys, 40 % synlig lys og 10 % UV-lys. Når lyset når jordens overflate, og solen er på sitt høyeste punkt, er sammensetningen av sollyset 53 % IR, 44 % synlig og 3 % UV. Av denne mengden UV-lys som når bakken, er ca. 95 % UVA og 5 % UVB. Selvfølgelig varierer disse prosentene noe ved skydekke og andre atmosfæriske forhold.

Mye av UVC-bølgelengdene absorberes av oksygen i den øvre atmosfæren, som deretter genererer ozon i ozonlaget. Ozonlaget blokkerer det meste av UVB og restene av UVC som ikke allerede er absorbert av oksygen.

Kunstige UV-emittere

Solen er ikke den eneste kilden til UV-stråling. Det finnes flere menneskeskapte enheter som også genererer disse bølgene.

Svartlys

UV-generatorene som er mest kjent for folk, er svartlys (figur 2). Vanlige svartlyslamper avgir UVA-bølger med svært lite synlig lys. For eksempel bruker fluorescerende svartlys et fosforbelegg på innsiden av glassrøret for å gi fra seg UVA-bølger i stedet for synlig lys. Mer kraftige svartlys med kvikksølvdamp bruker samme prinsipp for å gi fra seg UVA-stråling i større skala, hovedsakelig for konsert- og teaterskjermer.

Figur 2: Vanlige fluorescerende svartlys avgir UVA-bølger

De viktigste bruksområdene for svartlys er i tilfeller hvor synlig lys utenfra er uønsket mens de observerer den resulterende fluorescensen som oppstår når visse stoffer utsettes for UV-lys.

Kortbølgede UV-lamper

Kortbølgede UV-lamper består av lysstoffrør uten fosforbelegg. UV-lys med øvre verdier på 253,7 nm og 185 nm, begge i UVC-båndet, emitteres hovedsakelig på grunn av kvikksølvet i røret. Det er imidlertid bare stråling på 253,7 nm som passerer gjennom det sammensmeltede kvartsglassrøret, mens bølgelengden på 185 nm blokkeres fullstendig. Den typiske virkningsgraden til disse lampene er 30–40 %, og de har to til tre ganger så høy UVC-effekt som konvensjonelle lysrør.

Det primære bruksområdet til disse lampene er desinfeksjon av laboratorieoverflater, overflater for behandling av næringsmiddelvarer og vannforsyninger.

UV-gassutladningslamper

Gassutladningslamper inneholder forskjellige gasser som er valgt for å produsere UV-stråling ved spesifikke spektrallinjer, og brukes for spesialiserte vitenskapelige bruksområder. Hovedbruksområdet til disse lampene er for UV-spektroskopiutstyr som brukes i kjemisk analyse.

Lasere

Lasere kan produseres spesielt for å produsere UV-lys. Avhengig av laserteknologien (gasslasere, laserdioder eller faststofflasere) og materialene som brukes, kan lasere lages for å dekke hele UV-båndet.

Det finnes mange bruksområder for UV-lasere, for eksempel lasergravering, dermatologi, keratektomi, kjemi, kommunikasjon, optisk lagring og produksjon av integrerte kretser (IC-er).

Lysdioder

Lysdioder (LED-er) konstrueres spesielt for å produsere UV-lys. Disse enhetene brukes i dag til UV-hærdning, sterilisering, hudterapi og i kjemi for å identifisere komponentblandinger.

Helseproblemer

UV-stråling har en innvirkning på menneskers helse, både fordelaktig og skadelig. For mye eksponering kan være skadelig, mens moderat eksponering har gunstige effekter.

Skadelige effekter

Overdreven UV-stråling (UVA-lysdioder er tilgjengelige på DigiKey) kan potensielt forårsake skadelige effekter på øyne, hud og immunforsvar.

UVA-stråling forårsaker liten eller ingen umiddelbar reaksjon, men ved bølgelengder nær starten av UVB-båndet (315 nm), begynner fotokeratitt (en smertefull øyesykdom) og hudrødhet (lysere hud er mer følsom) å oppstå med økt sannsynlighet for skader når bølgelengdene nærmer seg 300 nm. UV i området 265 nm til 275 nm, i UVC-båndet, er mest skadelig for øyne og hud.

UVB-overeksponering kan ikke bare forårsake solbrenthet, men er også ansvarlig for noen former for hudkreft.

Nyttige effekter

Selv om overeksponering for UV kan være ille, er det helsemessige fordeler å oppnå ved å moderere UV-eksponeringen. De tre viktigste helsefordelene ved UV-eksponering er produksjon av vitamin D, bedring av humøret og økt energi.

D-vitamin

Moderat eksponering for UV-stråling er en god kilde til vitamin D. Dette vitaminet bidrar til regulering av kalsiummetabolisme, insulinsekresjon, blodtrykk, immunitet og celleforplantning. Høyere nivåer av vitamin D har blitt korrelert til lavere forekomster av hjertesykdom, slag og diabetes, samt en tilbøyelighet til lavere blodtrykk.

Hudtilstander

Det er visse hudtilstander som kan behandles med UV-stråling. Med moderne lysbehandling er det nå mulig å oppnå vellykket behandling av eksem, dermatitt, rakitt, atopisk og lokalisert sklerodermi, gulsott, psoriasis og vitiligo.

Hjerte- og karsykdommer og hypertensjon

Hos pasienter med høyt blodtrykk og vitamin D-mangel, er det påvist at UVB-eksponering kan redusere blodtrykket. Andre medisinske forsøk og studier har vist at UV-stråling, uavhengig av vitamin D, har målbare helsefordeler.

Serotonin

Opprettelsen av serotonin akselereres av vitamin D, og produksjonen er direkte proporsjonal med kroppens eksponering for UV-stråling. Endringer i serotoninnivå påvirker humør og oppførsel. Den nøyaktige virkningen på menneskekroppen er ikke fullstendig kjent, men det antas at serotonin gir en følelse av velvære, ro og lykke.

Melanin

Moderat UV-eksponering øker mengden melanin, det brune pigmentet i huden (også kjent som solbrunhet). Melanin absorberer både UVA- og UVB-stråling, og sprer den som varme. Dette beskytter huden mot både direkte og indirekte DNA-skader.

Bruksområder

Det finnes flere bruksområder som utnytter egenskapene til UV-stråling, og gir mange fordeler når det kommer til menneskers helse og velvære. UV-bølgers evne til å drepe mikrober og fjerne forurensninger er det vanligste bruksområdet i dag.

Luftrensing

Innemiljøkontaminanter består stort sett av organiske karbonbaserte sammensetninger som brytes ned når de eksponeres for høyintensiv UVC i området 240–280 nm. Det kan også ødelegge DNA-et i mikroorganismer. Derfor kan syklisk luft som passerer en UVC-emitter, for eksempel SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED (figur 3), bidra til å rense luft i rommet den er plassert i. Denne UVC-lysdioden på 275 nm (nominell) er tilgjengelig som en Star Board-enhet med en typisk strålingsytelse på 11,5 mW – noe som er gunstig for mange forskjellige bruksområder, for eksempel luftrensing.

Figur 3: SETi/Seoul Viosys UVC LED er tilgjengelig som en Star Board-enhet for å forenkle termisk konstruksjon. (Bildekilde: SETi/Seoul Viosys)

Sterilisering og desinfeksjon

UVC-lysdioder kan også brukes i en rekke steriliserings- og desinfeksjonsinnretninger. I medisinske og biologiske laboratorier brukes UVC-stråling i forbindelse med andre teknikker, for å sterilisere verktøy og arbeidsflater.

Andre vanlige bruksområder for UVC-stråling er rensing av avløpsvann og kommunalt drikkevann langs kysten. Den brukes til og med av kildevannstappere for å sterilisere vannet. I tillegg brukes UVC-stråling til å drepe mikroorganismer i næringsmiddelindustrien. For eksempel kan fruktjuicer pasteuriseres av UVC når de strømmer forbi en kilde.

Terapi

UV-stråling er ikke bare nyttig for rensing og sterilisering, den bistår også i å behandle hudtilstander som psoriasis og vitiligo (en tilstand der deler av huden mister pigment). I dette tilfellet er det ikke UVC-bølger som er nyttige, men UVB-bølger. UVB-lysdioder er ideelle for dette bruksområdet. Disse enhetene på 280–315 nm kan være grunnlaget som hudterapienheter er basert på. Disse enhetene er tilgjengelige i en rekke alternativer for montering og utstrålt effekt.

Konklusjon

UV-stråling har både skadelige og nyttige effekter på mennesker. Med egnet konstruksjon kan de gunstige egenskapene til både UVB- og UVC-bølger utnyttes slik at de kan beskytte oss mot infeksjoner og behandle visse hudtilstander. For dette formålet tilbyr DigiKey UV-lysdioder som er ideelle for disse bruksområdene, og som er enklere å konstruere med enn andre UV-kilder.